Große Wasser-Wasser-Wärmepumpen und ihre Anwendungen

 

Große Wasser-Wasser-Wärmepumpen und ihre Anwendungen

Einführung

Wasser-Wasser-Wärmepumpen (WWWP) sind effiziente Systeme zur Wärmegewinnung und -nutzung. Sie arbeiten nach dem Prinzip der Wärmepumpentechnologie und verwenden Wasser als Wärmequelle und -senke. WWWPs finden in großen Gebäuden, industriellen Prozessen und Fernwärmesystemen Anwendung, da sie eine hohe Energieeffizienz und niedrige Betriebskosten bieten.

Funktionsweise

Die Funktionsweise einer WWWP basiert auf dem Carnot-Prozess, bei dem thermische Energie von einem niedrigeren auf ein höheres Temperaturniveau gehoben wird. Das System besteht hauptsächlich aus einem Verdampfer, einem Kompressor, einem Kondensator und einem Expansionsventil. Der Prozess kann in vier Hauptphasen unterteilt werden:

1. Verdampfung: Das Kältemittel nimmt Wärmeenergie aus der Wasserquelle (z.B. Grundwasser, Flusswasser) auf und verdampft.
2. Kompression: Der Kompressor erhöht den Druck und damit die Temperatur des verdampften Kältemittels.
3. Kondensation: Das heiße, unter Druck stehende Kältemittel gibt Wärme an das Zielwasser (z.B. Heizsystem) ab und kondensiert.
4. Expansion: Das abgekühlte und verflüssigte Kältemittel wird durch ein Expansionsventil entspannt und der Zyklus beginnt von vorne.

Thermodynamische Grundlagen

Die Leistungszahl (Coefficient of Performance, COP) einer Wärmepumpe ist ein Maß für ihre Effizienz und wird definiert als das Verhältnis der abgegebenen Wärmeleistung $Q_{out}$ zur aufgenommenen elektrischen Leistung $W$:

$\text$

Für eine ideale Wärmepumpe, die nach dem Carnot-Prozess arbeitet, kann der COP wie folgt berechnet werden:

$\text$

wobei $T_h$ die absolute Temperatur des heißen Reservoirs (in Kelvin) und $T_c$ die absolute Temperatur des kalten Reservoirs ist.

Anwendungen

1. Große Gebäude und Gewerbeimmobilien:

   • Heizung und Kühlung: WWWPs können zur Beheizung und Kühlung von Bürogebäuden, Hotels und Einkaufszentren eingesetzt werden. Sie nutzen Grund- oder Oberflächenwasser zur Energiegewinnung und -abgabe.
   • Warmwasserbereitung: Zusätzlich zur Raumheizung können sie auch zur Bereitstellung von Warmwasser für Sanitärzwecke verwendet werden.

2. Industrielle Prozesse:

   • Prozesswärme: In der Industrie werden WWWPs zur Bereitstellung von Prozesswärme genutzt, insbesondere in Bereichen, wo konstante Temperaturen benötigt werden.
   • Abwärmenutzung: Sie können auch dazu beitragen, Abwärme aus Produktionsprozessen zurückzugewinnen und in nutzbare Wärme umzuwandeln.

3. Fernwärmesysteme:

   • Integration in Fernwärmenetze: WWWPs können in bestehende Fernwärmesysteme integriert werden, um die Effizienz zu steigern und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren.

Vorteile und Herausforderungen

Vorteile:

• Hohe Effizienz: WWWPs bieten eine hohe Energieeffizienz, insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Heizsystemen.
• Umweltfreundlichkeit: Sie reduzieren den CO₂-Ausstoß, insbesondere wenn sie mit erneuerbarem Strom betrieben werden.
• Flexibilität: Sie können sowohl zur Beheizung als auch zur Kühlung verwendet werden.

Herausforderungen:

• Initiale Investitionskosten: Die Anschaffung und Installation großer WWWPs können teuer sein.
• Wartung: Der Betrieb und die Wartung erfordern spezielles Fachwissen.
• Abhängigkeit von Wasserquellen: Die Effizienz und Praktikabilität hängen von der Verfügbarkeit und Qualität der Wasserquellen ab.

Formeln und Berechnungsbeispiel

1. Berechnung des COP:

Nehmen wir an, eine WWWP arbeitet zwischen einem kalten Reservoir bei 10 °C (283 K) und einem warmen Reservoir bei 45 °C (318 K).

${\text{COP}}_{\text{Carnot}}=\frac{318}{318-283}=\frac{318}{35}\approx 9.09$

2. Tatsächlicher COP:

In der Praxis ist der tatsächliche COP niedriger als der Carnot-COP aufgrund von Verlusten und Ineffizienzen im System. Ein realistischer COP für große WWWPs liegt typischerweise zwischen 4 und 6.

Fazit

Große Wasser-Wasser-Wärmepumpen sind eine vielversprechende Technologie zur effizienten und umweltfreundlichen Wärmegewinnung und -nutzung. Mit ihren vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten und der hohen Effizienz können sie einen wesentlichen Beitrag zur Reduzierung des Energieverbrauchs und der CO₂-Emissionen leisten. Trotz der hohen initialen Investitionskosten und der Wartungsanforderungen bieten sie langfristig wirtschaftliche und ökologische Vorteile.